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鱼类家系选育的研究进展

发表时间:2023/11/12 08:05:22  来源:水产科学 2016年1期   浏览次数:4782  
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鱼类家系选育的研究进展

李学军,胡灿灿,王 磊,田 雪

(河南师范大学 水产学院,河南 新乡 453007)

对鱼类进行选育由来已久,最早出现在范蠡的《养鱼经》。采用选择育种的方法来对鱼类进行遗传改良始于20世纪20年代对鱼类抗病新品种的选育[1]。随着水产养殖业的迅速发展,良种缺乏成为制约我国水产养殖业健康可持续发展的重要因素之一[2]。选择育种是培育新优品种的一种有效途径,已经在多种生物的选育中取得成功,而家系选育则是选择育种中的重要手段之一。

家系选育是近年来应用比较广泛的一种选育方法,由于其系谱清晰、可延缓近交衰退、缩短育种年限、选育效果好并可为分子育种奠定基础等优点,受到了国内外育种相关领域专家和学者的广泛关注。家系选育实际是对基因型的选择[3],通过对优势基因型的富集,选育出的目标性状相关基因具有较高的纯合度[4]。正确把握好近亲交配和品系的建立是家系选育的关键[3],通过一对一交配建立家系,累计繁殖,使一些隐性基因纯合体出现的百分率增加,从而增加隐性性状的表现几率,这样可以加速淘汰一些不良基因,大大增加了优良性状相关基因的累计频率,最终获得优良的经济性状。国内外利用家系选育已经获得了许多比较好的结果,例如,对虹鳟(Oncorhynchusmykiss)50个全同胞家系不同时间的生长速度、饲料转化率、病毒性出血性败血病抗病力等指标进行研究,加性遗传方差分析结果显示对这些性状进行选育可行[5];对大西洋鲑(Salmosalar)20个家系中二倍体和三倍体的生长性状进行比较,结果表明二倍体家系的平均体质量显著高于三倍体(P<0.05)[6];对尼罗罗非鱼(Oreochronmisniloticus)吉富品系63个全同胞家系进行研究,加性遗传方差显示吉富罗非鱼(GIFT,O.niloticus)仍有较大选育价值[7];在国内,于飞等[8]对大菱鲆(Scophthalmusmaximus)31 个家系进行选育,从中选出1、6、26号等3个家系的生长速度显著高于其他家系;韦信键等[9]对大黄鱼(Pseudosciaenacrocea)32个家系1~6月龄的生长性能进行比较,筛选出3个快速生长家系。这些结果都说明家系选育在鱼类的新品种选育过程中起到了重要作用,并将在未来的鱼类育种中占据重要位置。但是迄今为止尚未见有关鱼类家系选育研究进展方面的报道。

1 家系的个体标记方法

家系选育是进行品种培育的有效方法,培育家系过程中实现环境的标准化,从而减少环境方差是其中最重要的一个环节。因此,选择对不同家系进行有效的标记,可以最大限度的体现出遗传效应对家系性状的影响。

1.1 外挂式标记

目前用于鱼类个体的外挂式标记有剪鳍、颜色标记、体外标、烙印、纤维彩带标记、挂牌、鳃盖骨和鳍穿孔、化学腐蚀等[10-12]。外挂式标记相对来说操作简便、成本较低,但是对鱼体伤害较大,且对其生长、生理方面存在一定影响。另外,标记需要的鱼规格较大,无法对幼鱼期的鱼进行标记。同时,外挂式标记在鱼类生长过程中容易丢失,掉标率高。而对于家系选育来说,在鱼苗早期培育阶段,采用外挂式标记对鱼苗伤害较大,不利于鱼苗生长,很多都采用网箱式挂养[11,30]来区分每个家系。

1.2 体内标记

体内标志技术有线码标记、被动整合雷达标、内藏可视标、荧光标记、染料标记等[10-11]。不同的标记方法根据其各自的优势应用在不同的领域,如在鱼类增殖放流、洄游等领域经常用到线码标记,因为线码标记对鱼体本身伤害较小且保存率较高,适用于非常小的个体,而在家系育种中经常用到是被动整合雷达标记和荧光标记。

被动整合雷达标技术自20世纪80年代开始在渔业上应用,是近些年迅速兴起的一种电子生物标记技术,该技术使每个个体拥有唯一的身份,并可以持续追踪,具有安全性、持久性、可重复性,对标记后的个体感染率低等优点[11-12]。但是相对于其他标记来说,被动整合雷达标技术的代价相对较高,并且植入的芯片必须要在正确的位置,否则易造成脱落,影响后期观察[12];另外,鱼体过小也不能植入,必须长至一定的规格才能采用被动整合雷达标记。荧光标记主要有6种荧光颜色(红、褐、绿、黄、紫、蓝等)和4种非荧光颜色(白、紫、褐、黑等),通过注射到鱼的皮下进行标记,其透明、易见,可以在鱼很小的时候就进行标记,方便在较早的时期对家系进行均一化管理。不足的是,荧光标记会随着鱼苗长大,肌肉变厚,变得难以辨认;另外,标记的时候需要顺着肌肉的纹理方向进行注射,否则随着鱼苗的长大,荧光标记将会慢慢散开,难以观察。对于鲆鲽类等早期不宜进行被动整合雷达标记的鱼类,为了实现养殖环境的标准化,可以在幼苗期对不同的家系采用荧光标记,放在同一个环境中饲养,当到达某一尺寸时,再采用被动整合雷达标记。

1.3 分子标记

分子标记作为家系选育的一种手段既保持了传统家系选育的优点,同时又利用分子标记分辨率高的特点使得家系选育的选择强度更高[4]。目前,在家系选育中应用较多的分子标记有随机扩增多态性DNA技术、扩增片段长度多态性技术、微卫星分子标记等。

利用微卫星标记对不同家系之间的遗传结构和遗传差异性进行分析,评估家系的遗传潜力,或者找出特异性标记,这在家系选育中均具有重要意义。如鲁翠云等[13]对镜鲤(Cyprinuscarpio)采用28个微卫星标记辅助构建家系,并评估亲本群体遗传潜力,群体多态信息含量达到0.5627 ;王磊[14]利用微卫星分子标记分别在在感染淋巴囊肿病和抗鳗弧菌的牙鲆(Paralichthysolivaceus)家系中筛选到1个和3个与淋巴囊肿病和鳗弧菌病相关的分子标记。利用微卫星进行亲子鉴定,可以提早进行家系混合养殖,减少因环境方差造成的影响,节省大量成本。如Norris等[15]利用微卫星标记,并运用8个高度可变标记,测得大西洋鲑亲子鉴定准确率高达95%。Perez-Enriquez等[16]运用45个微卫星标记,得到真鲷(Pagrusmajor)亲子鉴定率达73%。还可以利用微卫星标记结合家系构建遗传连锁图谱,为进一步进行数量性状精细定位和分子标记辅助育种奠定基础。

目前在家系选育中采用随机扩增多态性DNA标记没有采用微卫星标记广泛。毛晗等[17]采用随机扩增多态性DNA技术对2个人工雌核发育家系的DNA片段进行标记,并且检测到特异DNA片段。随机扩增多态性DNA分子标记在鱼类遗传育种方面的应用也比较广泛。同微卫星标记一样,广泛应用于遗传多样性分析、性状相关分子标记的筛选和关联分析等方面,与微卫星相比,它更加简便、而且成本低,但是其重复性较差,稳定性也不敌微卫星分子标记。

扩增片段长度多态性标记具有多态性强、无复等位效应等优点适合指纹图谱的研究。Ezaz等[18]利用扩增片段长度多态性标记在罗非鱼中找到与性别相关的分子标记。Agresti等[19]也采用扩增片段长度多态性和微卫星分子标记,构建遗传系谱图,找到不同亲本的特异性标记。

通过建立家系进行遗传性状分析和构建连锁图谱,已在遗传育种中起到十分重要的作用,目前已有许多种鱼类都建立了遗传连锁图谱。刘继红等[20]利用随机扩增多态性DNA、扩增片段长度多态性、微卫星分子标记对鲤鱼(Cyprinuscarpio)的头长、眼径、眼间距做数量性状定位,找到与性状相关的基因位点,为进一步选择优良品种奠定基础。Wang等[21]对亚洲海鲈 (Latescalcarifer)F1家系与生长相关的性状进行数量性状基因座定位,将对亚洲海鲈的分子辅助育种奠定基础,最终确定与生长相关性状的单个基因位点。一般要对各个家系进行分子标记分析,然后对其进行数量性状定位分析,分析与生长性状、基因相关的数量性状基因座位点,构建遗传图谱,进一步来选育优良品系。

近些年来,一些研究人员提出采用亲子鉴定技术来鉴别混养的家系。目前已在哲罗鱼(Huchotaimen)[22]、牙鲆[23]等鱼类中得到应用,此种方法减小了环境之间的误差,但是在选育家系的试验中,如果家系规模大,就会造成操作繁琐且代价高昂,为后期工作带来很大的负担。随着测序技术的发展,相关成本在不断下降,技术手段也在不断进步,利用亲子鉴定技术来鉴别混养家系将成为未来重要的发展方向。

2 家系选育方法

2.1 家系建立

前苏联科学家利用1尾雌鱼与2尾雄鱼杂交的方法法建立鲤鱼全同胞家系,获得了较为理想的选育效果,认为家系选育在鱼类育种中是相当有效的选育方式。近年来,家系选择育种发展迅速,通过不平衡巢式杂交和人工授精等方式建立全同胞、半同胞家系,采用单养和混养两种养殖方式,利用近亲繁殖和选择的手段逐代进行选育。

2.2 育种值估算

家系的建立,为育种值估算奠定了基础。约束最大似然法、贝叶斯法和最佳线性无偏预测法等都是估算遗传参数和育种值较为普遍应用的方法,通过估测育种值预测选择效应。

2.2.1 最佳线性无偏预测法

最佳线性无偏预测法最早是由美国Henderson在奶牛的选种改良中提出,现已广泛应用于具有线性模型的相关研究。最佳线性无偏预测法由于能有效充分利用所有亲属的信息,剔除不必要的环境因素,校正由于选择交配造成的误差,估算个体育种值更精确,对不同群体进行联合遗传评定,检测不同群体和世代的遗传差异[24-25];在家系选育中,相对于其他方法能更好的估算出育种值,提高选择效应,这些都有助于提高选种的准确性,加速群体的选育进程。其不足之处在于易受计算条件的限制,因此,如采用最佳线性无偏预测法,要求所用数据必须是正确并完整,所用模型均为真实模型[25]。针对最佳线性无偏预测法育种方法数据收集相对不易的情况,最近结合分子标记技术发展的标记辅助最佳线性无偏预测法[26]更好的解决了这一问题。但由于水产动物育种基础较差,标记辅助最佳线性无偏预测法还不能大规模应用,但是在未来的水产动物育种中,它作为一个多学科交叉的成果,值得进一步探索。

目前,国内外学者运用动物模型的最佳线性无偏预测法对鱼类进行遗传改良取得了一些卓有成效的成果,如Neira等[27]在2个银鲑鱼(Oncorhynchuskisutch)群体中采用最佳线性无偏预测法获得了更高的狭义遗传力值;Gall等[28]采用最佳线性无偏预测法对三代罗非鱼进行选育,显示潜在的选择效应可提高20%~30%;岳春梅[29]采用最佳线性无偏预测法计算鱼的个体育种值,指导建鲤(C.carpiovar.jian)的家系选育工作;刘峰等[30]采用最佳线性无偏预测法得出“鲆优1号”的育种值明显高于其他优良家系;田永胜等[31]采用最佳线性无偏预测法预测了牙鲆父母本效应和杂交效应,总体显示母本效应大于父本;马爱军等[32]采用最佳线性无偏预测法估算大菱鲆个体育种值,使得遗传增益提高了10.39%。

2.2.2 约束最大似然法

约束最大似然法在鱼类家系选育中被广泛地应用于遗传参数的估算,田永胜等[31-33]分别对牙鲆和虹鳟的不同家系进行了生长性状遗传参数的估计。在方差估计中,约束最大似然法估计值的准确度比较高,但是它在计算中要求的样本容量很大,这在一定程度上增加了运算的复杂程度。随着现代计算机水平的迅速发展,在家系选择育种中,经常采用约束最大似然法和最佳线性无偏预测法等方法结合在一起使用,这样能保证育种值估算的准确性,也能增加遗传参数有效性。

2.2.3 贝叶斯法

贝叶斯法是同经典参数估计相对应的另一种方法,非常适合非线性模型中遗传参数的估计[34]。贝叶斯法同样也经常与其他方法相结合用于鱼类家系选育中,姜再胜[35]采用贝叶斯法估算不同家系虹鳟的遗传参数,得出虹鳟对鱼传染性造血器官传染病抗病力的遗传力约为0.34。贝叶斯法也存在一些不足,比如计算量比较大、收敛速度慢等。

3 家系选育的性状

3.1 生长相关性状

鱼类属于低等脊椎动物,遗传性状不稳定,一个品种经过几代繁育后,容易出现生长缓慢和抗逆性下降等现象。因此,通过建立家系,对不同家系间生长指标进行比较,选择具有生长优势的个体,从而为培育出具有明显生长优势的品种奠定基础。

虽然用家系的方法选育生长性状具有很多优点,但同时也存在一些缺陷。比如在从受精卵到能够做标记这段时间,各个家系必须分开培育。尽管在这个过程中,育种人员尽量使各个家系的生长环境保持一致,但实际上还是存在很大差异,因此这段时间的环境方差就对家系的生长性状产生较大影响,从而在一定程度上影响了选育效果;同时分开培育的经济成本也比较高,这对于很多基层育种单位来说很难承受,影响了家系在鱼类生长性状选育方面的推广。另外,在鱼苗能够做标记之后,需要对每个家系的鱼苗均做上标记进行混合养殖以尽量减少环境方差的影响,但是无论是被动整合雷达标记还是荧光标记都比较昂贵,不可能进行大规模标记,只能在每个家系中选取一部分进行标记混养,由于留下来的数量较少,在一定程度上影响了生长选育效果。因此,在未来生长性状的选育过程中,如何能够在出苗阶段就进行家系混合培育,而且开发出简便廉价的方法来区分各个家系将是未来鱼类生长性状选育需要重点解决的问题。

3.2 抗病性状

近年来,病害问题制约着水产养殖业的可持续发展,培育鱼类抗病新品种已成为国内外育种专家竞相关注的前沿热点之一,而利用家系选育培育抗病新品系是解决这一问题的有效手段。王磊等[41-42]先后对牙鲆和半滑舌鳎(Cynoglossussemilaevis)家系进行鳗弧菌感染,分别选出16个抗病力强的牙鲆家系和1个强抗病力的半滑舌鳎家系,同时对牙鲆抗鳗弧菌病相关的数量性状基因座位点进行了定位[43]。近年来,白化现象给大菱鲆带来重大的经济损失,制约着大菱鲆的苗种繁育和养殖。关健等[44]通过对白化严重的16个全同胞家系的形态指标进行研究,分析了白化现象发生的原因,这对减少甚至消灭白化鱼苗具有重要意义。无乳链球菌(Streptococcusagalactiae)引发的病害也给罗非鱼的养殖带来了严重的危害。朱佳杰等[45]用无乳链球菌感染罗非鱼选出抗病力强的11个家系。在国外,Grimholt等[46]对大西洋鲑33个家系感染杀鲑气单胞菌(Aeromonassalmonicida)和25个家系感染传染性鲑鱼贫血病病毒,发现有2种病原菌感染的疾病与主要组织相容性复合基因多态性有密切关系,并筛选出抗病力强的家系。Gilbey等[47-48]通过对大西洋鲑构建家系,建立遗传图谱,并对其进行了三代虫(Gyrodactylussalaris)病和传染性肝胰脏坏死病相关数量性状基因座位点研究。Fuji等[49-50]分别对牙鲆和虹鳟的淋巴囊肿病、传染性肝胰脏坏死病通过构建家系进行了数量性状定位研究。

3.3 其他抗逆性状

体温是影响变温动物生长、抗病等生理性状的的重要因素之一。鱼类属于变温动物,近年来全球变暖、强降水、高温等极端天气的频发对于一些对温度比较敏感的鱼类,如罗非鱼、虹鳟、大菱鲆等形成了较大威胁。因此,选育具有耐高温或低温等性状的新品种就显得迫在眉睫。目前,国内外学者通过建立家系对耐高温或低温鱼类的选育取得了良好的结果。如 Agresti等[19]对罗非鱼的研究,筛选出ACO家系具有强的耐寒和耐盐能力;马爱军等[51]对2个世代的大菱鲆建立家系研究,获得了4个耐高温家系,并发现二世代的耐高温性比一世代提高1~2 ℃;张永德等[52]对36个家系尼奥罗非鱼(O.aureus×O.niloticus)进行研究,发现31个家系的平均半致死温度比自然种群降低8.81%,存活率提高17.6%;卢其西等[53]对6个家系的罗非鱼进行抗寒能力的试验,发现家系Ⅱ的半致死温度最低,为5.7 ℃,相对来说其抗寒力较强。通过构建家系对这些鱼进行耐温选育,对培育耐低温抗寒、耐高温品系具有重要意义。

通过家系选育可以对鱼类的不同性状进行分析和选择,选育出耐低氧、耐盐、抗密度胁迫等性状的家系也已经受到越来越多学者的关注。何湘蓉[54]通过构建半同胞家系,对大黄鱼耐低温、低溶氧和低pH等性状进行了研究,估算了大黄鱼对各环境因子的抗性遗传力,从而为选育具有良好抗性的品种奠定基础。Rengmark等[55]对4个家系罗非鱼的耐盐能力进行了研究,为选育耐盐罗非鱼奠定了基础。

3.4 品质性状

随着生活水平的提高,人们对鱼类品质的要求也不断增加,因此通过不同的方法培养具有高品质的鱼类品种引起很多人的关注。但由于鱼肌肉的遗传力较低,对肌肉品质采用遗传育种方式进行改良的不多,一般也仅停留在传统的杂交育种等方面。随着育种技术的不断改进,林利民等[56]认为通过家系选择改善大黄鱼肉质具有可行性;郑先虎[57]对鲤鱼8个家系的基因组进行扫描,获得4个肉质性状相关数量性状位点21个,奠定了鲤鱼肉质改良的基础。Johnston等[58]也对野生的和7个家系大西洋鲑的肌肉进行了比较。此外,还有对虹鳟、鲤鱼等肌肉相关的数量性状基因座的研究,但都处于初步研究状态,为进一步通过家系改良鱼类肌肉品质奠定基础。

4 展 望

家系选育作为选择育种的一种重要方法,对缩短育种时间、培育新品种具有重要的意义,因此近些年来吸引了国内外大量的育种工作者对其进行积极尝试。全世界可用于经济开发的鱼类不到400种[59],经过遗传选育的鱼类相对来说更少,可以采用家系选育与最佳线性无偏预测法等选育手段相结合方法对其进行新品种的培育。在未来大规模家系选育过程中,有两个方向值得关注:一是采用混合家系选育的方法,从繁殖出小鱼开始就进行混合养殖,当鱼长至需要的标准时采用亲子鉴定的方法,筛选具有优良性状的个体。采用这种方式选择力度大、相对成本低,但是中间阶段每个家系的生长情况不清楚;二是采用家系分养的方式,从出苗开始就进行分养,生长至能进行标记的阶段采用被动整合雷达标记或荧光标记进行混养,此种方式可以了解清楚中间每个生长阶段的生长情况,但其成本高,劳动强度大,工作繁琐。因此,可以根据不同试验目的和试验条件采用不同的家系选育方式,以便获得更理想的选育结果。

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